Makaleyi paylaş
İyon kromatografi (IC), 1987'den bu yana Metrohm'un analitik kimyasal enstrümantasyon portföyünün bir parçası olmuş ve bu 37 yıllık süre içerisinde, IC'nin yapabileceklerinin sınırlarını zorlayan birçok yeni ve heyecan verici gelişme ortaya çıkmıştır. Akademik laboratuvarlar için basit kurulumlardan, kimyasal analizin yeteneklerini genişleten hibrit tekniklere (ör. IC-ICP-MS) kadar birçok uygulama başarı ile gerçekleştirilmiştir! Bu blog makalesi serisi, Metrohm'daki bu analitik yöntemin geçmişi ve aradan geçen on yıllar boyunca nasıl değiştiğini anlatmaktadır.
Başlangıç: 1980’ler
İyon kromatografi, 1987 yılında Metrohm ürün portföyüne eklendi ve o zamanlar yalnızca titrasyon, metreler, voltammetri ve Ransimat'ı içeren analitik tekniklerimizin kapsamı genişletildi. Zaten birkaç yıldır piyasada olan IC, bir yandan çok ilginç bir yöntem, diğer yandan da çok karmaşık ve pahalı bir teknoloji olarak görülüyordu.
Daha önceki tipik titrasyon uygulamaları için IC'nin artan uygulanabilirliği, Metrohm'u bu yönteme odaklanmaya yönlendirdi.
İletkenlik dedektörünün geliştirilmesi
İletkenlik, iyon kromatografide kullanılan en yaygın tespit tekniğidir. İletkenlik, sulu çözelti içindeki tüm iyonların doğal toplam parametresidir. İyon kromatografi, eluentler (ör. mobil faz) ve numuneler gibi sulu çözeltiler kullanılarak çalıştırıldığından, iletkenlik temel tespit türüdür.
Aşağıdaki videoda, iletkenliğin nasıl ölçüldüğü gösterilmektedir. Diğer tespit teknikleri de kullanılabilir ancak, genellikle yalnızca özel durumlarda uygulanmaktadır.
İletkenlik Tespiti
1980'lerin başında IC yöntemi, titrasyonla pazar payı için rekabet etmeye başladı. Amperometrik dedektörle (641 VA Dedektörü, 1980'de piyasaya sürüldü ve orijinal olarak HPLC dedektörü olarak satıldı) elde edilen olumlu deneyimlere ve Metrohm'un iletkenlik ölçümündeki yetkinliğine dayanarak, benzer şekilde bir iletkenlik dedektörü geliştirme fikri ortaya çıktı. Projenin önkoşullarından biri, analistlerin standart anyonların 1 mg/L (veya daha düşük) tespit limitlerine ulaşmasını sağlayan ayırma kolonlarının (sabit faz) mevcut olmasıydı.
1984 yılında, tek pistonlu bir HPLC pompası, 6-yollu enjeksiyon valfi, ticari olarak temin edilebilen IC ayırma kolonları, iletkenlik dedektörü ve bir grafik kaydediciden (586 Labograph) oluşan bir başlangıç kurulumu üzerinde test yapıldı. Bu test, 1 mg/L sınırına ulaşılabileceğini kanıtladı ve böylece resmi bir Metrohm iletkenlik dedektörü geliştirme projesi başladı.
O zamanlar, Small, Stevens ve Baumann [1] tarafından sunulan kimyasal baskılama patentliydi ve mevcut değildi. Ancak, Gjerde, Schmuckler ve Fritz [2] tarafından açıklanan baskılamasız iletkenlik tespiti geçerli bir alternatif olarak görüldü. Çözeltideki düşük iyon konsantrasyonlarının ölçülmesi gerektiğinde, çok küçük kromatografik pik noktalarına ek mobil fazdan (eluent) gelen yüksek geri plan iletkenliği zorluk yarattı ve iletkenlik dedektörü için özel gerekliliklerin dikkate alınması gerekti. Bunlardan en kritik olanı, tipik olarak %2/°C civarında olan iletkenliğin sıcaklık katsayısıydı. Bu da ölçüm sırasında son derece sabit bir sıcaklığın korunması gerektiği anlamına gelmekteydi.
İlk geliştirme aşamasında toplu ölçüm bir yana, platinin bir akış hücresindeki elektrotlar için en iyi malzeme olmadığı görüldü. Ancak, paslanmaz çelik mükemmel çalıştı. Ölçüm hücresinin hala yalıtılması gerekiyordu, ancak yalıtım tek başına yeterli değildi. 0,01 °C'den daha iyi bir sıcaklık stabilitesi elde etmek için aktif termostatlama gerekliydi. Bu stabilite, bir termokupl ile ölçüldü ve Labograph'a kaydedildi. Devamında, daha gelişmiş araçlarla stabilitenin 0,001 °C'den daha iyi olduğu belirlendi.
Tüm bu zorlu çalışmalardan sonra bile, hala başlangıçtaki geri plan iletkenliğinin stabilitesi yeterince iyi değildi. Anlaşıldığı üzere, IC sisteminin çeşitli bileşenlerinin termal olarak stabilize edilmesi gerekiyordu. Ayrıca, farklı bir marka HPLC pompası Metrohm iyon kromatografinin geliştirilmesi için ideal değildi.
İlk karar, iletkenlik dedektörü projesini bir kenara bırakıp bir iyon kromatograf yapımına başlamaktı. Böylece, ilk Metrohm IC (690 İyon Kromatograf) geliştirilmiş oldu. 690 IC, mükemmel ısı yalıtımı için bir köpük polimer mahfaza, elektronik ve dedektör bloğunun yanı sıra bir puls emici, bir numune enjektörü ve ayırma kolonundan oluşuyordu. O zamanlar tüm kapiler boru bağlantıları, HPLC kapilerlerinden oluşuyordu (paslanmaz çelikten yapılmış). Yetersiz kalan HPLC pompası, Metrohm IC Pompası ile değiştirilip yükseltildi ve Labograph'ın hemen ardından, IC sistemini tamamlayan bir integratör geldi.
1980'lerde, iyon kromatografinin yalnızca metal içermeyen cihazlar kullanıldığında sağlam olduğu yönündeki genel fikir birliğine rağmen Metrohm, paslanmaz çelik bazlı sistemlerde anyon, katyon ve iyon dışlama kromatografisini çalıştırmayı başarmıştır. Ağır metallerin tespitini bile sorunsuz bir şekilde gerçekleştirilmiştir.
«Elektronik baskılama» ile iletkenlik tespiti
Baskılamasız IC'nin bir dezavantajı, mobil fazdan gelen yüksek iletkenlik seviyelerinden kaynaklanan nispeten yüksek bir taban çizgisi gürültüsüdür. Bu taban çizgisi gürültüsüne katkıda bulunan parametreler arasında sıcaklığa bağlı dalgalanmalar, pompa gürültüsü, ve elektronik gürültü yer almaktadır.
Dedektörün mükemmele yakın termal stabilizasyonu sayesinde, sıcaklığın taban çizgisi üzerindeki etkisi en aza indirilmiştir. Yüksek basınç pompasının kalitesi, taban çizgisini stabilize etmek için önemlidir, ancak standart çalışma koşulları altında taban çizgisi gürültüsüne fazla bir katkı sağlamaz. Son olarak, bu noktalar optimize edildikten sonra elektronik gürültünün odaklanılması gereken en önemli parametre olduğu ortaya çıkmıştır. Her bir elektronik bileşen sıcaklık dalgalanmalarını etkiler ve aynı zamanda bir miktar gürültüye de neden olur.
Termostatlanabilir dedektör bloğu, termostatlama için bir alüminyum bloktan, yerleşik bir ölçüm hücresinden ve bir elektronik ön kuvvetlendiriciden oluşuyordu. Bu ön kuvvetlendirici, ölçülen analog iletkenlik sinyalinin ana elektroniklere yönlendirildiğinde, dış alanlara karşı duyarsız olmasını garantiliyordu.
Otomatik Sıfırlama (Auto Zero) işlevi, fonksiyonun başlatılması sırasında gerçek iletkenliği ölçer ve kromatogram boyunca bunu sinyalden çıkarır. Buna, geri plan ayarlanması denir. Ek olarak elektronik gürültüyü azaltan elektronik yapısı nedeniyle, «elektronik baskılama» tanımı verilmiştir.
Bunun arkasındaki fikir, etkili olduğu kadar basittir. Elektronikler, aynı elektronik bileşenlere sahip iki paralel yol üzerinden ölçülen geri plan iletkenliğinin yanı sıra, gerçek iletkenlik sinyalini ölçecek şekilde ayarlandı. İki sinyalin çıkarılması, çıkıştan hemen önce harici bir A/D dönüştürücüye yapıldı. Aynı bileşenlerin aynı gürültüyü eklemesi ve benzer termal davranış sergilemesi gerektiği varsayımı altında, her iki sinyal de aynı şekilde etkilendi. Bu nedenle, gürültü seviyesi daha da azaltıldı.
Ek olarak görünür gürültü seviyesi, µS/cm birimlerinde ideal çıkış penceresi ("Tam ölçek" adı verilen) kullanılarak iyileştirilmiştir. Aşağıdaki ücretsiz Uygulama Notu, bu etkiyi açıklamaktadır.
O zamanlar, yaklaşık 2 nS/cm olan bu gürültü seviyesi, kimyasal baskılamayla yapılan analizlere benzer veya onlardan daha iyiydi.
Ayırma kolonu gelişmeleri
Metrohm 1987 sonlarındaki pazarlama lansmanında, toplamda altı adet IC ayırma kolonu sunmuştur. Bunlardan ikisi anyonlar için, biri tek değerlikli katyonlar için, biri iki değerlikli katyonlar için ve biri de organik asitler (iyon dışlama) içindi. O dönemde, Prof. Dr. Schomburg'un grubu (Kömür Araştırma Enstitüsü, Mülheim/Ruhr, DE) polimer malzemeleri, silika gibi örneklerin üzerine kaplayarak HPLC fazlarının hazırlanması üzerinde çalışıyordu. Kullanılan fazlardan biri, tek bir izokratik analizde tek ve iki değerlikli katyonları ayırabildiği keşfedilen bir silika malzeme üzerindeki poli(bütadien/maleik asit) idi. Metrohm bu teknolojiyi zaman içerisinde aldı ve İsviçre'nin Herisau kentinde kolon üretimine başladı.
"Schomburg kolonu" veya daha sonra "Super-Sep Katyon kolonu" olarak adlandırılan kolon, alkali ve toprak alkali metal katyonlarının eşzamanlı olarak ayrılmasına olanak tanıyan piyasadaki ilk kolondu. Hatta, mevcuttaki Metrosep C 4 ve Metrosep C 6 kolonlarının kökeni, Schomburg kolonuna kadar uzanmaktadır.
Veri işleme yetenekleri
Piyasadaki ilk aylarda, yeni IC için yalnızca Labograph (grafik kaydedici) mevcuttu. Bu, elbette pek kabul edilebilir bir durum değildi. Yine de, piklerin kesilip fiziksel olarak ölçülmesi ile elde edilen sonuçlar oldukça doğruydu. İlk integratör (Shimadzu C-R5A), LCD ekrana (iki satırlı), depolama yeteneklerine (cihazda iki kromatogram ve harici kart başına beş kromatogram) ve dokümantasyon için ısıl yazıcıya sahip masaüstü bir integratördü.
1991 yılında, bir veri toplama kutusu ve DOS tabanlı integrasyon yazılımından oluşan, ilk PC tabanlı veri toplama ve işleme yazılımı (714 IC-Metrodata) geliştirildi. Beş yıl sonra 1996'da, 714 IC-Metrodata'nın yazılımı Windows sürümüne güncellendi. Daha sonra 2000 yılında ise hem veri toplama hem de uzaktan kontrol yetenekleri için, 762 IC Interface ve 771 IC Compact arayüzü ile birlikte yeni IC Net yazılımı piyasaya sürüldü.
Sırada ne var?
Bu serinin bir sonraki bölümü 1990'lı ve 2000'li yılların başlarını kapsamaktadır. Bu süre zarfında Metrohm, modüler IC'yi, Metrohm Supressör Modül (MSM)'ü, ve bazı öne çıkan ayırma kolonlarını geliştirmiştir.
Bilgi birikiminiz
Referanslar
[1] Small, H.; Stevens, T.S.; W.C. Baumann. Novel ion exchange chromatographic method using conductimetric detection. Anal. Chem. 1975, 47 (11), 1801–1809. https://doi.org/10.1021/ac60361a017
[2] Gjerde, D. T.; Fritz, J. S.; Schmuckler, G. Anion Chromatography with Low-Conductivity Eluents. J. Chromatogr. A 1979, 186, 509–519. https://doi.org/10.1016/S0021-9673(00)95271-3
